（机械制造及其自动化专业论文）面向汽车配件产品的变型设计建模平台及其关键技术的研究.pdf

摘要 本文结合项目“快速响应客户需求的产品设计和生产管理系统研究及其在汽 车配件制造也中的应用”，对支持产品变型设计的建模平台的结构体系、基于事 物特性表的尺寸变型方法和模型建模技术、基于继承法的零部件局部结构变型方 法和模型建模技术、装配模型建模的信息模型等进行了研究，最后结合项目示范 企业瑞立集团的产品设计，开发了支持变型设计的产品建模平台，并在企业 中得到了成功应用。 第一章是绪论。通过文献阅读，总结了现代产品设计方法的发展情况以及发 展的方向，并重点讨论了变型设计的研究情况以及变型设计建模过程中装配信息 的表达模型。最后对本文的研究背景和研究意义做了论述。 第二章是支持变型设计的建模平台研究。分析了当前变型设计系统和参数化 造型软件的研究水平，结合项目需求，提出了支持产品建模和产品设计的建模平 台体系结构，给出了平台的功能模型。并分析了建模平台实现的技术体系。 第三章是基于事物特性表的尺寸变型方法。研究了基于事物特性表的尺寸变 型方法的流程和技术路线。对实现尺寸变型方法所需的建模技术和模型变型技术 进行了研究。重点研究并设计了关系式求解器，使尺寸变化能够由关系式传递。 第四章是基于继承法零部件局部结构变型方法。提出基于继承法零部件结构 变型的方法，定义了基础框架建模的内容。研究了基础框架建模技术，零部件模 型对基础框架继承方法、结构变型的方法。 第五章是装配模型信息表达与模型重组方法。本章讨论装配模型建模中装配 信息如何表达，以及在进行变型设计时如何能够重新构建装配模型，实现装配模 型的变型设计。 第六章是平台实现及应用实例。 最后是总结与展望。总结了建模平台研究的成果，提出了需要进一步研究的 内容。 关键词： 变型设计事物特性表零件建模装配建模建模平台基础框架 a b s t r a c t t h er e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o ni sa b o u td e v e l o p i n gam o d e l i n gs y s t e mf o rt h e a u t op a r t s t h em o d e lm o d e l e do nt h es y s t e mc a l lb eu s e df o rv a r i a n td e s i g nw h i c hi s ap r o d u c td e s i g nm e t h o da n di sc , o m l n o nu s e di nt h ea u t op a r t sd e s i g na c t i v i t i e s t h e r e s e a r c hi s p a r to ft h ep r o j e c to f r e s e a r c h o np r o d u c td e s i g na n dp r o d u c t m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mf o rq u i c kr e s p o n dc u s t o m e rd e m a n da n di t s a p p l y i n gi na u t op a r t s w eh a v es t u d yt h ed i m e n s i o nv a r i a n td e s i g n ( d v d ) m e t h o d b a s e do nt h et a b u l a rl a y o u t so fa r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s ( s m l ) ，a n dt h ep r o d u c t s t r u c t u r ev a r i a n td e s i g n ( s v d ) m e t h o db a s e do nt h eb a s e - f r a m em o d e l ，a n dt h e a s s e m b l ym o d e le x p r e s sa c h i e v i n gt h ev a r i a n td e s i g no f p r o d u c tl e v e l w eh a v eu s e d t h er e s e a r c hi nd e v e l o p i n gt h em o d e l i n gs y s t e mf o rr u il ig r o u p ，a l la u t op a r t s m a n u f a c t u r i n gc o m p a n y c h a p t e r ii n t r o d u c e st h er e s e a r c hs t a t u so fv a r i a n td e s i g na n dt h ea s s e m b l y m o d e l i n gm e t h o d a n di n t r o d u c e st h ep r o b l e m sh a v eb e e nf a c e db yt h er u il ig r o u p a n dt h ea i mt oa c h i e v et h r o u g ht h er e s e a r c h c h a p t e rh i sa b o u tt h em o d e l i n gs y s t e m i nt h i s p a r ta n a l y s e st h ep r o b l e m s f a c e db yp r o d u c td e s i g nd e p a r t m e n to ft h er u il ig r o u p f o rs o l v i n gt h ep r o b l e m s ， w eh a v ea r c h i t e c t e dam o d e l i n gs y s t e m a n da n a l y s e st h et e c h n i q u ed i f f i c u l tw i l lb e f a c e di nd e v e l o p i n gt h es y s t e m ，s u c ha sh o wt oi m p l e m e n td v da n ds v d ，h o wt o c h a p t e ri l la b o u tt h er e s e a r c ho f t h ed i m e n s i o nv a r i a n td e s i g nm e t h o db a s e do n t h et a b u l a rl a y o u t so f a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s i nt h i sp a r t , w eh a v er e s e a r c hm o d e l i n g t e c h n i q u ea n dd e s i g nt e c h n i q u ef o rt h ed v d b a s e do ns m l c h a p t e ri va b o u tt h er e s e a r c ho ft h ep r o d u c ts t r u c t u r ev a r i a n td e s i g nm e t h o d b a s e do nt h eb a s e - f r a m em o d e l i nt h i sp a r t ，w eh a v ei n t r o d u c et h eb a s e f r a m e c o n c e p ta n dh a v er e s e a r c hh o w t om o d e lt h eb a s e - f r a m em o d e la n dh o wt on s ei tf o r p a r ta n da s s e m b l ym o d e l i n ga n dt ou s et h em o d e li n h e r i t i n gf o r mt h eb a s e - f r a m ef o r s v d c h a p t e rvi st os o l v et h et e c h n i q u ep r o b l e mf o rt h ev a r i a n td e s i g no fp r o d u c t l e v e l i nt h i sp a r t , w eo f f e ram e t h o dt oa s s o c i a t e t h ep a r a m e t e ra n dr u l ee r e i n f o r m a t i o nw i t ht h ec o m p o n e n to ft h ea s s e m b l ym o d e l n 埠m e t h o dc a l lm a k et h e p r o d u c tm o d e la c h i e v en o to n l yt h ev a r i a n td e s i g no fp r o d u c tl e v e lb u ta l s ot h e v a r i a n td e s i g no f c o m p o n e n tl e v e l c h a p t e r d e s c r i b e st h eu s c ri n t e r f a c eo f t h em o d e l i n gs y s t e ma n dp r o v i d et h e e x a m p l eo f a p p l i c a t i o ni nt h ea u t op a r t sd e s i g na c t i v i t i e s 1 1 1 er e m a i n d e ro ft h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h er e s e a r c hw o r ka n dg i v e st h e f u t u r ew o r k so f t h i sr e s e a r c h n k e y w o r d s ：v a r i a n td e s i g n , t a b u l a rl a y o u t so fa r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s , s m l ，p a r t m o d e l i n g , a s s e m b l ym o d e l i n g , m o d e l i n gs y s t e m ，b a s e f r a m e i i l if、jb， 学号翌生! l ! 三兰 独创性声明 v9 99 6 6 8 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：徘：玻 签字f 1 期：矽p 二年石月二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥江盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盘望盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：昧琅新虢助坼 签字日期：砷? 年石月，占日 签字同期：口伊占年月，e 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 前言 众说周知，随着世界经济的快速发展，企业除了需要面对国内同行之间的竞 争，还要面对来自世界其它国家和地区的竞争，这种竞争越来越激烈，全球化的 发展趋势是无法抵抗的。除了企业之间竞争，企业还要面对的客户不断变化的需 求，客户对产品的需求越来越多样化、个性化，对产品的质量要求也不断提高， 并且还要有良好的服务和较短的交货期。这些对企业来说都是挑战。 企业要想在挑战中处于有利的地位，除了提高自身管理水平和战略决策能力 之外，还有就是加强基础设施和软件的投入。运用计算机辅助技术来提高设计、 生产、制造和采购、销售的水平，并在网络技术的支持下，把企业不同部门、不 同环节集成起来，使信息能够快速存取、快速的交换和分享。 计算机技术与传统的方法结合，产生很多新的方法、理论和概念，例如计算 机集成制造系统( c i m s ) 、企业资源计划( e r p ) 、并行工程( c e ) 等等。在产 品设计方面，出现了专家设计、虚拟设计、变型设计、协同设计等设计方法。不 同的产品设计方法，它们的共同目标都是调高设计的水平、设计质量，降低设计 周期和生产成本，以及加强对设计资源的管理和重复使用能力。 本章将结合支持变型设计的产品建模平台这个研究方向，回顾和总结了当前 产品设计方法的研究现状、产品设计方法的发展方向，以及变型设计的方法、理 论和研究现状，然后对产品建模中装配信息的表达模型的研究现状和现有的表达 模型进行归纳。最后介绍了支持变型设计的产品建模平台这个研究方向的背景和 研究的内容、意义。 1 2 产品设计方法研究现状 1 2 1 产品设计方法概述 1 2 1 1 产品设计方法的发展方向【1 1 2 3 】【4 】哪7 删 ( 1 ) 设计集成化 集成化要能支持信息集成、过程集成与企业集成，它涉及的技术如：数字化 建模、产品数据管理、过程协调与管理、产品数据交换、c a x 工具、d f x 工具 等。 ( 2 ) 设计网络化 网络化要能支持动态联盟中协同设计所需的环境与设计技术。协同设计就是 充分利用网络技术，把处于不同地点的设计人员和专家，在网络的连接下共同设 计产品。网络化使产品的设计可以通过设计人员的共同操作来完成，发挥了设计 人员各自的设计强项，是产品设计在专家的讨论中完成。 ( 3 ) 设计智能化 智能化是指在实现集成化和网络化时所采用的智能技术，如人工智能、专家 系统技术等。例如基于实例推理技术就是充分利用人类的经验知识，将人类以为 处理某类问题的经验作为处理这类相似问题参考。基于实例推理的变型设计，就 是仿效类比人工智能的方法，从已有的、成熟的实例库中，根据新的要求和特征， 设计新的产品方案，新的设计方案又会被存入实例库。 ( 4 ) 设计绿色化一 绿色化是指产品设计要面向产品全生命周期，在产品的各个阶段都能够被再 循环和重复利用，从而消除或减轻环境污染，提供资源的利用率。绿色化的设计 能够解决环境，资源、人之间的矛盾，使社会得以持续发展。 ( 5 ) 设计敏捷化 敏捷化是指产品设计要能够在尽可能短的时间内按照要求完成。变型设计就 是能够充分利用已有的设计资源，通过在原有成型产品基础上通过修改来快速满 足客户的需求，缩短设计时间。 ( 6 ) 设计虚拟化 虚拟化是指产品设计能够在虚拟现实的环境中进行，通过构建虚拟空间中的 实体模型，使人能够通过触觉、视觉来体验产品设计效果。虚拟现实技术目前已 经有很多的研究。 ( 7 ) 设计标准化 标准化是指产品设计要尽可能使用标准件，以及已有的零部件能够标准和规 范化。设计的标准化能够减少设计成本和生产成本。 1 2 1 2 产品设计方法的研究现状 电子技术、计算机技术、网络技术的迅猛发展，以及市场竞争、用户需求的 多样化和环境保护意识的增强，产品的设计从传统的经验设计进入现代设计 9 1 。 当前涌现出的设计概念有创新设计n o l 、变型设计、并行设计、虚拟设计、协同 设计、专家设计、绿色设计【l l l 、优化设计【3 1 。国内外对这些设计新概念的研究也 较多。波音7 7 7 全面应用虚拟技术，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种 环境下的试飞均是在计算机上完成的。浙江大学自主开发了虚拟环境产品装配设 计原型系统( v i r t u a ld e s i g na n da s s e m b l ys y s t e m ，v i r d a s ) ，用于虚拟环境中 产品层次信息的表达【1 2 1 。德国国家研究中心计算机支持的协同工作( c o m p u t e r s u p p o r t e dc o o p e r a t i o nw o r k ，c s c w ) 研究小组多来一直在开展c s c w 方面 的研究，从早期的电子邮件支持系统到现在的工作流系统、目录系统、组织结构 建模、任务管理与c s c w 开发工具等方面的研究。这些现代设计思想从不同的 侧面反应了现代产品设计的发展方向，即集成化、网络化、智能化、虚拟化和绿 2 色化的方向发展。 1 2 2 变型设计的研究状况 1 9 8 4 年p a h l 和b e i t z d3 】在 e n g i n e e r i n gd e s i g n 上提出了分类方法，根据 设计活动的基本特点和实际应用情况，制造行业中的产品设计活动一般可以分为 以下三种类型1 4 1 6 17 】： 1 ) 仓q 造性设计( o r i g i n a ld e s i g n ) 这种设计方法针对新的需求，从已知的、经过实践检验是可行的理论和技术 出发，设计出过去没有的新型产品。这是一种完全创新的设计，其基本持点是： 对于设计目标的描述是不完全和不确定的，并且没有现成有效的问题分解模式和 对于子问题的设计规划，整个设计过程是发散的，无常规可循，基本取决于设计 者的创造性思维。 2 ) 适应性设计( a d a p t i v ed e s i g n ) 这类设计是在保持产品原理、方案基本不变的前提下，在原有产品的基础上， 对产品的某些局部功能和结构做出变更，以适应某种要求。从整体上来说，适应 性设计其设计目标是确定的，并且存在着较为固定的问题分解模式。但对于产品 的某些子模块来说则往往在技术上具有较大变化，没有固定的设计模式可循，换 言之，存在着对某些子系统的创造性设计。 3 ) 变型设计( v r i a n td e s i g n ) 变型设计是在产品工作原理、基本功能定义不变的情况下，通过现有产品局 部结构型式和尺寸的变异以满足不同工作性能的需求。其基本持点是具有固定、 有效的问题分解结构，对于子问题的设计和设计错误的处理都具有比较明确的常 规步骤和方法，比较适合于运用现有的计算机技术去辅助实现。 s t u t z 和k a s h y a p 1 6 l 声称在机械设计中大约有3 0 的设计活动属于变型设计 的范畴。与此相似的是，p r e b i l 等“”人通过对一些大公司产品设计的分析，发现 大约7 0 左右的产品设计属于适应性设计或变型设计的范畴，只有很小一部分的 设计可以归入创造性设计。 1 2 2 1 变型设计的基本理论 变型设计是关于设计方法和过程的一种分类定义，是指提取已存在的设计或 设计计划、做出特定的修改以产生一个和原设计相似，但在功能上或外观上具有 创新意义的新产品。这种修改一般不破坏原设计的基本原理和基本结构特征，是 一种参数的修改或结构的局部调整或两者兼而有之，其目的是快速、高质量、低 成本地生产新产品以满足不断变化的市场要求【1 8 x 倒。 ( 1 ) 变型设计的方式 根据产品变型过程中，修改或调整的方式，变型设计有两种方式 1 ) 产品规格的变化。这种变型方式是指在不改变产品主要功能参数和结构 3 配置的条件下，对基型重新确定尺寸，即产品的尺寸发生变化。 2 1 产品型号的变化。该变型方式的特点是产品的主要功能参数也要发生变 化，随之产品的尺寸规格、局部结构也发生变化，即产品的机构和尺寸都发生变 化。 ( 2 ) 变型设计的基本流程 产品的基本原理、结构、功能、可变型能力在进行产品基型的建模开发时就 已经确定，变型设计的基本任务是根据用户的具体需求，对基型产品的结构形式、 组成模块做出合理选择，最终设计出符合规格要求的产品结构，它的基本流程如 图1 - i 所示 图1 1 变型设计的基本流程 1 2 2 2 变型设计的基本方法 变型设计的理论相对已经比较成熟，它的基本流程也为大多数研究人员所接 受，但是对于如何实现变型设计，人们提出了很多的方法。通过文献资料的整理， 主要有一下几种变型设计方法： ( 1 ) 模块化的变型设计 模块化设计是以功能分析为基础，通过功能相同而性能用途不同的各模块的 互联组合而实现各种基型产品和变型产品。模块的划分不是随意的，且模块之间 的装配关系是预先确定的，也不能随意改变，所以限制了它的使用范围。文献中 关于模块化的变型设计系统研究很少。 ( 2 ) 基于特征的变型设计理论 基于特征的变型设计是指用户通过对一系列特征的实例化和特征的自动维 护达到产品的变型设计的目的，一般和参数化设计方法结合。但是特征间的交互 4 作用对特征的影响和设计过程中特征的有效性的维护，是这种变型设计方法的致 命缺陷。从根本上讲，特征设计是零件级的设计，特征设计是无法支持概念设计 和自顶向下的设计方法，不支持产品设计的全过程。 ( 3 ) 基于参数化设计和变量设计方法的变型设计 参数化设计和变量化设计，都是通过参数约定设计对象的尺寸关系，在参数 的作用驱动对象变型。参数化设计的约束求解要按照顺序进行，而变量化设计不 受顺序制约，求解存在自由度大。生产中常用的系列化、标准化设计就是属于参 数化和变量化这一类型。 参数设计和变量设计适用于产品初始设计和定型产品系列化设计，使产品的 设计图纸可以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改。目前变量 设计是c a d 系统研究的重点，在变量设计中必需着重考虑的是约束满足问题 ( c o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o np r o b l e m ，c s p ) ，而设计一个高效的约束求解器则是 变量设计的难点。目前国内外基于约束的变型设计方法的实现方案主要有：数值 约束求解方法、迭代法、基于规则的几何推理方法、基于图的约束求解方法、基 于构造过程的方法。 ( 4 ) 基于装配模型的变型设计 装配模型是一个支持产品从概念设计直到零件设计，并能完整正确传递不同 装配体之间的设计参数、装配层次和装配信息的模型。装配模型定义和表达在产 品生命周期中有关产品的信息，包括数据、结构和关系等。关系型产品模型以变 型产品开发过程中的种种关系为核心，能够最大限度地利用企业已有的产品资 源，因而成为能支持富有竞争力的快速响应产品设计策略的最有力工具。 ( 5 ) 基于实例推理技术( 智能化) 的变型设计理论 基于实例推理技术是由英国剑桥大学s c h a n k 教授1 2 2 首次提出的一种适用于 机械产品再设计的类比推理人工智能方法。其基本原理是：在实例库中预先存入 大量已有的、成熟的实例，根据待设计产品的要求和特征，按照相似度从实例库 中检索出一组相关实例，进行必要的修改、组合和处理后，即可形成新的产品设 计方案，并且可作为新的实例不断扩展实例库。 以上变型设计理论和方法均不同程度地解决了变型设计中一些重要问题，达 到一定目的要求。有待进一步解决的问题：研究能够表达设计意图，支持产品设 计全过程的产品数据管理技术；提供对已有产品资源的有效组织和管理手段和多 层次的变型方法，充分利用企业现有资源：研究有效的支持变型设计的人机协作 环境。霍平等1 2 3 1 在产品族中变型产品知识结构的描述了进行研究，认为基因产品 描述是产品族设计建模过程中的关键技术。 1 1 2 2 3 变型设计的国内研究现状 江力、孙守迁等【1 7 】针对变型设计的基本特点，提出了以基于实例的推理为基 础，综合运用规则推理和约束满足方法来完成产品的变型设计活动。清华大学的 田凌、童秉枢等1 2 4 1 结构变型设计理论和成组技术研究开发了一套支持零件建模的 系统，此系统可以通过变型生成二维图纸信息文件和工艺信息文件。中国工程物 理研究院的何朝明等 2 0 l 根据泵类产品的特点开发了支持参数化变量化的变型设 计系统，并且建立相关的标准件库和部件库。合肥工业大学的张红旗、曹文钢等 2 7 1 基于实例推理的变型设计技术的基本原理、工作流程及其实施的关键技术做了 深入的分析和描述，并在此基础上开发了“汽车底盘变型设计系统”。南京航空 航天大学的钱晓明、王宁生等汹1 根据快速变型设计的特点，研究了变型设计系统 的总体框架，将产品模型划分为功能模型、结构模型、原理模型和制造模型，以 使产品模型具有响应用户、支持快速变型的能力。华中理工大学的毛权、周济 提出了基于实例原型的设计方法及设计支持系统。 上海交通大学的乔进友、金忠孝等聊】对支持快速变型设计的p d m 系统进行了 研究，将支持变型设计的p d m 系统分为事物特性表管理、分类编码管理、产品资 源管理、过程等四个主要模块，并提出了基于标准编码集成了c a d 、c a p p 、c a e 、 c a l 和m r pi i 等系统的体系框架。 1 2 - 2 4 变型设计的国外研究现状 s t u t z 、k a s h y a p 和p r e b i l 等【1 4 1 1 1 6 1 人对变型设计所占产品设计的比例进行了统 计，认为企业7 0 左右的产品设计属于适应性设计或变型设计的范畴。纽约州立 大学的w a n g 和n a g i 等p 2 1 1 3 3 1 通过建立装配产品模型零部件之间的尺寸关联关系 的约束组，将变型设计过程归结为一个混合整数线性规划( 1 v i i l p ) f 司题，用组合求 解过程实现装配产品变型设计的优化。j o r g 和i n e s 等0 4 1 提出一种d e k l l r e 方 法体系，通过约束设置的方式实现智能变型设计，d e k l , m u e 方法体系有部分组 成：设计知识的分析体系( d e s i g nk n o w l e d g ea n a l y s i sf r a m e w o r k ) 、设计描述语 言( d e s i g nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 、设计咨询系统( d e s i g na d v i s o r ys y s t e m ) 。 w i l k e s 和l e o n a r d 等p 5 】用变型设计方法给零件构建族模型，用表格方法来描述每 个产品及其元件，元件在产品中是以特征形式来描述的，把变型设计方法和表格 方法结合起来实现产品的变型设计。 1 2 - 2 5 产品级变型的装配建模方法研究 要达到产品( 部件) 级的变型设计，需要建立一个产品的变型设计原型，即 装配模型。变型设计对装配模型的要求是： 1 ) 记录装配模型中子装配体和零件之间的层次信息和装配关系信息； 2 ) 记录装配模型、子装配体和零件模型的可变型信息及变型驱动信息。 对装配模型的研究最早出现在7 0 年代末，目前已提出了许多装配模型 3 7 1 1 3 9 1 1 3 9 1 1 4 3 1 。归纳起来可以分为关系型和层次型模型1 3 ；, 1 4 0 1 1 4 1 蝴。关系型模型以一 种基于图的结构来建立装配模型，节点表示零件，边表示它们之间的关系；而层 6 次型模型则将某些零件合并为一个子装配，使模型呈树状结构。两种方法有各自 的优缺点，所以在各种商业c a d 软件中，都是使用了两者的混合模型，这种模型 通过子装配的划分形成装配提的树状结构，而有同一父节点的兄弟节点之间则采 用关系模型。l e e 和g o s s a r d 3 7 1 在1 9 8 5 年提出虚拟链( v m u a ll i n k ) 结构的概念， 它以层次结构为主，辅助以配合关系的经典结构。虚拟链表示装配层次关系，虚 拟链的每个节点中由指明相互配合关系的一对元件指针，这种结构可以用来表达 混合模型。 图1 - 2 虚拟链结构表达的混合装配模型1 3 7 】 上海交通大学的周新建等嗍人在虚拟链层次装配模型基础上，提出了基于广 义键的能够描述产品装配层次关系、装配关系、设计参数及其约束关系、分析特 征、装配属性的集成产品装配模型。这种模型除了表达装配层次信息和装配关系 之外，还能够表达设计参数及其约数关系等等信息。图l - 3 就是基于广义键层次 结构装配模型，可以看到在零件和子装配体中还能记录参数规则和分析特征，参 数规则和分析特征可以作为支持变型设计的模型设计参数和变型约束信息。 7 图1 3 基于广义键层次结构装配模型【4 s l 同济大学的齐从谦、贾伟新等8 1 1 1 9 1 2 0 l t 2 1 1 提出顶层基本骨架( t o pb a s i c s k e l e t o n ，t b s ) 的概念来进行支持变型设计的装配模型建模方法，顶层基本骨架 是整个产品自顶向下设计展开过程的核心，是各个子装配之间相互联系的中间桥 梁和纽带，实现产品在设计过程规划中信息的传递、共享、集成和变更。使用 t b s 建立的装配模型可以支持产品级的纵向变型( 尺寸变化) 和横向变型( 模块 的变化) 。t b s 的实现思想是在装配模型中定义所有元件的定义基准，这些基准 ( 基准面、基准轴、基准点等) 构成一个装配模型的骨架，把元件填充到骨架中 去，就可以构成产品，不同的元件组合会生成不同规格和型号的产品。 1 2 _ 2 6 变型设计的研究方向讨论 根据现有对变型的研究特点和存在的不足分析，作者认为未来变型设计的研 究方向主要有： 1 ) 研究可实现规格变型和型号变型的变型设计方法。 2 ) 研究变型设计的优化算法，使变型的产品在满足性能需求的情况下，可 以按照一定的指标进行优化。 3 ) 研究基于网络的变型设计系统，研究变型设计系统与产品数据管理系统、 企业资源计划之间的集成，使设计系统与其它系统通过信息共享来实现企业的计 算机集成制造。 4 ) 研究变型设计对企业产品设计的标准化、模块化和规范化的支持，变型 设计的过程某种程度上背离了产品设计的标准化和规范化工作，所以需要研究变 型设计的规则库，限制设计的随意性，以及能够对产品零部件使用情况进行数据 挖掘，提供零部件族模型建模的建议，推进企业产品的标准化和规范化工作 8 5 ) 扩充变型设计系统的标准件库，是建模人员无须自己去建立大量的标准 件模型，提高系统的可操作性和便携性，区分不同水平的设计人员，使变型设计 系统既可以面向高级用户又可以面向低级用户。 1 3 论文研究的背景、意义及内容 1 3 1 研究背景 当前机械产品制造企业，为了能够快速的响应客户的需求以及对企业已有的 产品设计资源能够重复利用，推进标准化、规范化等工作，对企业的设计部门和 企业的信息化进程提出了新的要求。本文结合浙江省重大科技攻关项目( 项目编 号：2 0 0 4 c 1 1 0 0 4 ) “快速响应客户需求的产品设计和生产管理系统研究及其在汽 车配件制造业中的应用”，分析项目示范企业瑞立集团的需求，归纳出以下 几个方面： 1 ) 建立以弹簧制动气室、离合器助力器、转向助力泵、制动总泵分泵、组 合开关、组合仪表、电缓速器等瑞立集团七大主导产品为代表的数据库、设计规 则库和知识库，在企业范围内实现产品设计资源的共享； 2 ) 在c a d 和p d m 的支持下，开发汽车配件产品设计系统，支持产品的变型设 计，提供现有产品设计资料的快速查找和调用、现有零件设计资料的有效利用、 产品与零件的参数化设计，提高企业产品开发效率，降低产品开发成本； 3 ) 在产品设计规则库和知识库的支持下，开发汽车配件产品设计系统，支 持创新设计，提供汽配产品创新设计必需的分析计算和模拟功能，并支持与整车 厂的交互设计和确认； 通过示范企业、项目承担企业和浙江大学现代制造工程研究所之间合作，研 究能够支持汽车配件产品变型设计的方法及其关键技术，并开发出可以实际应用 的产品变型设计系统。本文主要研究产品变型设计系统的核心产品建模平 台。 1 3 2 研究意义 产品建模平台作为机械产品变型系统的核心，它的研究保证了产品变型设计 系统的实现。产品变型设计系统的研究和开发的意义如下： 1 ) 产品变型设计系统通过建立企业产品的基型，以及提供的产品零部件实 例的管理工具，并通过与产品数据管理系统的集成，加强了对企业设计资源的管 理： 2 ) 产品变型设计系统能够是设计人员重复利用企业已经有的设计资源，提 高设计的速度和质量，使企业在日益激烈的市场竞争中能够高效率、高质量、低 成本地设计生产新产品，满足用户不断变化的要求； 3 ) 产品变型设计系统集成了零部件建模、变型设计、库文件的管理等工具， 9 以及基于网络的设计环境，给设计人员提供了一个高效、实用、便利以及实现信 息共享的设计环境； 4 ) 产品变型设计系统提供了与产品数据管理、企业资源计划等系统之间集 成的接口，使设计信息能够为产品数据管理系统和企业资源计划系统等利用，实 现了企业内部信息的高效流通； 总之，产品变型设计系统使企业能够快速响应客户需求，提高了企业在市场 竞争中的竞争力，提高了企业在市场经济中的信心。 1 3 3 研究内容 本文结合变型设计的研究方向和项目示范企业的需求，对支持变型设计的建 模平台的体系结构进行了研究，提出了建模平台的功能模型。为实现建模平台， 满足企业对产品规格变型和型号变型的需要，对以下三个方法进行了研究。 基于事物特性表的尺寸变型方法。该方法可以使建模平台建立的产品模型具 备规格变型能力。研究了实现这种的方法的建模技术和变型技术，针对关系式在 建模和变型中的重要性，设计了关系式的求解器。 基于继承法的零部件局部结构变型方法。该方法是为满足企业对产品结构变 型的要求，由作者提出的一种支持型号变型的方法，该方法可以弥补事物特性表 对尺寸变型易于实现，而对于结构变型相对困难的不足，使建立的产品装配具备 了结构变型和尺寸变型能力。研究了实现该方法的基础框架模型的信息模型、建 模技术和变型技术。 装配模型的信息表达和模型重组方法。对族模型的变型信息与装配模型之间 的信息关联的方法及其技术进行了研究。 根据研究的成果，实现产品建模平台系统，供企业应用。 1 4 本章小结 本章从引言开始，分析了研究的背景，对产品设计方法、变型设计的理论等 研究现状做了回顾。然后结合课题与研究背景介绍了本文的研究内容。 l o l 第2 章支持汽配产品的变型设计建模平台研究 f 2 1 引言 从产品的设计角度，人们通常采用创新设计、适应性设计、变型设计来获得 新的产品设计方案。一般在企业创立初期，企业的产品设计活动是以创新设计为 主。当它发展到成熟阶段，它的产品就相对定型，在这个阶段就会以适应性设计 和变型设计为主。作者通过参与“快速响应客户需求的产品设计和生产管理系统 研究及其在汽车配件制造业中的应用”项目，调研了项目示范企业瑞立集团 汽车配件产品设计活动的情况。在该集团的产品设计活动中，变型设计占据了相 当大的比例( 8 0 以上) ，因此瑞立集团迫切需要一套能够全面支持产品的变型 设计活动的系统。本章根据瑞立集团的需求，提出了支持汽配产品的变型设计建 模平台体系结构。 - 2 2 汽配产品变型设计需求分析 2 2 1 企业产品变型设计需求 汽车零配件制造企业的产品设计通常是根据客户订单需求，在企业原有的定 型产品基础上进行修改和实验分析，完成设计。通过对瑞立集团七大目标产品变 型设计的调研，汽配产品变型设计需求归纳为以下几点； 1 ) 瑞立集团的设计人员，经常需要在原有产品图纸基础上进行修改来满足 客户的需求。因此他们迫切希望能够对企业内的汽配产品进行产品和零部件族建 模，在以后的设计活动中只需在已有产品族和零部件族模型上进行修改，就可以 是族模型产生尺寸或结构变化，生成完整的产品图纸，完成设计。所以企业希望 可以有一套便捷的建模工具和设计工具。 2 ) 企业希望的建模工具能够有汽配产品所需要的标准件库和通用零部件 库，使设计人员在进行建模时，可以自由的选择标准件和通用零部件，而无须自 己设计。 ： 3 ) 企业希望建立的产品族模型库、零部件族模型库、标准件库、参数库以 及设计完成的实例等在设计部门内为设计人员所共享，并能够有一套工具完成快 速的检索功能。 4 ) 对于设计数据的管理，企业希望变型设计完成的产品及其零部件数据由 一套产品数据管理系统进行统一管理，产品数据管理系统与产品的变型设计建模 系统能够高度集成，是设计数据可以相互传输。 5 ) 整个一套系统应该能够提高企业的设计效率，并能对设计过程、设计结 果进行有效管理。 。 2 2 2c a d 软件对变型设计的支持情况 瑞立集团的汽配产品已经较为成熟，产品相对定型，产品设计活动以变型设 计为主。但是，从目前的商品化c a d 软件来看，它们只是被作为绘图工具，而 不是从设计方法学的角度来设计软件。市场上不存在支持变型设计方法的c a d 软件。从已有的研究来看，一般是通过在c a d 软件基础上进行二次开发，开发 出一套能够支持变型设计的软件功能。 针对瑞立集团的汽配产品变型设计需求，系统应该提供丰富、便捷的汽配产 品零部件族模型和产品族模型建模工具和产品设计工具，以及对模型、实例、标 准件、通用件、参数库等进行管理的平台。建模工具建立的汽配产品零部件族模 型要能够支持安装尺寸、接口尺寸和结构等变型需求。现有的研究和商品化软件， 都无法满足瑞立集团这种变型设计需求。 2 3 建模平台的研究目标 建模平台是为用户进行产品和零部件族建模、变型设计提供的一套完整的工 具，它还需提供建模和变型所需的模型库、标准件库、设计参数库等共享库，以 及提供进行产品和零部件变型实例管理的工具。 建模平台研究目标是在满足瑞立集团对其汽配产品变型设计系统需求基础 上，结合变型设计研究方向进行研究。本文研究的建模平台要实现下面的功能： 1 ) 建立的汽配产品的装配模型和零部件模型能够支持规格( 尺寸) 变型和 型号( 结构) 变型； 3 ) 与项目合作单位艾克斯特公司提供的产品数据管理系统进行集成， 产品零部件实例由产品数据管理系统管理，建模平台可调用产品数据管理系统中 的产品零部件实例； 4 ) 建模平台中产品零部件族模型的建模工具面向高级设计人员，产品零部 件的变型设计面向普通设计人员，普通设计人员通过简单的操作就能在高级设计 人员建立的族模型上完成汽配产品的变型设计，所以建模平台应该使汽配产品的 设计工作更加高效、便捷； 5 ) 建模平台为瑞立集团的汽配产品变型设计提供产品( 部件) 装配模型、 零件模型、标准件库、通用零部件库、参数库等设计共享库； 6 ) 建模平台可以支持基于事物特性表的实例查询和基于实例的推理。 2 4 建模平台的方案设计 2 4 1 零部件族模型的信息模型描述 建模平台的核心任务是建立能够变型的产品和零部件族模型。零部件族模型 的变型能力( 尺寸变型能力和局部结构变型能力) ，跟所建立的模型信息息息相 关。 ( 1 ) 零件族模型信息描述 支持变型设计的零件族模型，是指对零件进行相似性分析，建立的集成了零 件族的外部形状特性、功能特性、工艺特性、材料特性的主模型。由于本文研究 的平台目前不涉及零件的工艺变型，故对工艺特性和材料特性没有考虑，主要是 从零件的外部形状特性和功能特性出发。 支持产品变型设计的零件模型的描述如下： p r t m o d e l l n f o = i g ，s ，p 。r ，b f ，m 、 g ( g e o m e t r y ) ：模型几何信息，包括三维几何信息和工程图( - - 维) 信息， 在平台中主要是三维模型文件和工程图文件； s ( t a b u l a rl a y o u t so f a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s ，简称s m l ) ：事务特性表信息，主 要是由作为主驱动的尺寸和参数构成； p ( p e f f o r m a n c e ) ：性能参数表信息，用于表达评估零件的性能指标，可以与 分析计算模型结合，用户对零件的需要直接转化为性能参数表的形式； r ( r e l a t i o ns e t ) ：关系式集信息，用于确定模型内部尺寸参数之间的关系， 使事务特性表可以驱动模型变型； b f ( b a s ef r a m e ) ：基础框架( 第4 章内容) 信息，是零件模型的基础框架模 型所包含的信息，是该零件模型具有局部结构细微差别、功能相似、装配特征相 同的零件模型之间的联系桥梁。基础框架从功能相同、结构相似的零件模型之间 提取的相似特性，包括装配特征、事物特性表特征、实体基础几何特征、管理特 征等，零件模型继承基础框架模型。基础框架信息主要是针对结构变型的需求。 m ( m a n a g e m e n t ) ：模型的基本管理信息，包括模型名称、文件名、模型简图、 建模人员、备注等等。 图2 1 零件模型信息描述 ( 2 ) 产品( 部件) 装配模型信息描述 装配模型是由零件模型、部件( 装配) 模型、零件实例、部件实例( 如图2 2 所示) 装配而成，是通过对定型产品或部件相似性分析，建立的能够代表一组( 或 系列) 产品或部件共同的外部形状特性、功能特性的主模型。装配模型表征了该 系列产品或部件的元件装配关系和装配约束关系，是系列产品或部件的形状特征 和功能特性的集成，系列内的产品或部件都可以由装配模型变型生成( 论文中关 于产品的设计与部件的设计没有区分) 。 图2 - 2 产品装配模型组成元件的类型 装配模型的信息描述如下： a s m m o d e l l n f o = a s ，g ，最s ，p ，r ，b f ，m a s ：装配约束集